The phylogeny of Holometabola

Am analizat un total de 1.343 gene 1:1 orthologous (i.e., grupuri de secvențe ortologe, denumite și grupuri de ortologi (OG)) și, prin includerea și a datelor publicate, date de la un total de 88 de specii (tabelul 1). Cele șapte seturi de date decisive special concepute pe care le-am analizat pentru a aborda cele șapte întrebări filogenetice ale noastre au constat fiecare dintr-un subset de taxoni și gene din setul de date complet, cu excepția setului de date 1, care este identic cu setul de date complet. Cele șapte întrebări, grupurile taxonomice pe care le-am selectat ca fiind relevante pentru a răspunde la întrebări, precum și numărul de specii și OG pentru fiecare set de date sunt prezentate în tabelul 2. Pentru fiecare set de date am efectuat 1) reconstrucția arborelui ML și 2) cartografierea cu patru clustere de verosimilitate (Four-cluster Likelihood Mapping – FcLM) (a se vedea tabelul 3). Rezultatele sunt rezumate în figura 1 (a se vedea fișierul suplimentar 1: Figurile S1-S7 pentru prezența și absența genelor în seturile de date, Fișierul suplimentar 2: Figurile S8-S15 pentru arborii filogenetici compleți și Fișierul suplimentar 3: Figurile S17-S25 pentru rezultatele complete ale FcLM).

Analiza setului de date 1 a dat Hymenoptera ca grup înfrățit cu toate ordinele olometabolice rămase atât în reconstrucția arborelui ML, cât și în FcLM (tabelul 3, figura 1). Această relație a fost deja recuperată în mai multe studii cu gene multiple (de exemplu, ) și pe baza datelor privind întregul genom, dar cu un eșantion limitat de taxoni . Analizele publicate anterior ale datelor morfologice au dat rezultate contradictorii, cum ar fi, de exemplu, Hymenoptera + Mecopterida în Beutel și Gorb versus Hymenoptera + ordinele holometabolane rămase în Beutel et al. . Problemele potențiale de artefacte topologice în aceste analize, cauzate de reducerile convergente în multe sisteme de caractere morfologice, au fost discutate în detaliu de Friedrich și Beutel și Beutel et al. . Plasarea Hymenoptera ca grup înfrățit cu toate ordinele holometabolane rămase implică faptul că presupusele sinapomorfii ale Hymenoptera și Mecopterida (de exemplu, gheara unică a larvelor, placa sitoforă sclerotizată a adulților; vezi ) sunt de fapt omoplastii.

Analizele noastre ale setului de date 2 au produs Neuropteroidea monofilitice (i.e, o cladă care cuprinde Neuropterida, Coleoptera și Strepsiptera) cu suport maxim în reconstrucția arborelui ML și suport puternic în FcLM (tabelul 3, figura 1). Neuropteroidea nu a fost susținută ca o cladă în Beutel et al. , dar a fost găsită monofilitică în multe studii anterioare , chiar dacă în cele mai multe cazuri cu un sprijin slab sau fără sprijin.

Nu am găsit niciun semnal pentru Megaloptera parafilitică, așa cum au discutat Beutel et al. și Winterton et al. (setul de date 3, tabelul 3, figura 1). În cadrul Neuropterida, analizele noastre ML au susținut la maximum o relație de grup înfrățit între Raphidioptera și Neuroptera + Megaloptera, care a fost, de asemenea, susținută de mai mult de 2/3 din toate cvartetele din FcLM (set de date 4, tabelul 3, figura 1). Relațiile filogenetice între ordinele de neuropteride au fost discutate în mod controversat cu două ipoteze alternative: Raphidioptera + Megaloptera fiind monofilitice (de exemplu, ) sau Neuroptera + Megaloptera fiind monofilitice (de exemplu, ). Rezultatele noastre susțin puternic cea din urmă ipoteză.

Analiza setului de date 5 a dat rezultate ambigue în ceea ce privește o posibilă cladă care cuprinde Coleoptera și Strepsiptera (Coleopterida) (Tabelul 3, Figura 1). Rezolvarea acestei probleme de lungă durată este dificilă din cauza morfologiei extrem de modificate (de exemplu, ) și a caracteristicilor genomice distinct derivate ale Strepsiptera endoparaziți („problema Strepsiptera”, ; „insecte din spațiul cosmic”, ). În cele mai recente contribuții, au fost găsite dovezi pentru Coleopterida monofilitice (de exemplu, ). Cu toate acestea, studiile bazate pe date moleculare au rămas ambigue în rezultatele lor. Coleopterida nu au fost susținute de toate seturile de date analizate de McKenna și Farrell . Rezultatele lui Wiegmann et al. s-au bazat pe un set relativ mic de gene și au arătat doar un sprijin slab pentru această cladă. Niehuis et al. au analizat secvențele de nucleotide ale întregului genom al insectelor holometabolice și au găsit Coleopterida bine susținute, dar eșantionarea taxonului nu a inclus niciun ordin de neuropteride. În studiul nostru, Coleopterida este susținută în arborele ML (cu suport bootstrap maxim), dar nu și în analizele FcLM (tabelul 3, figura 1). În arborele ML, Strepsiptera sunt plasate în cadrul Coleoptera (la fel ca în unii dintre arborii lui McKenna și Farrell ), cu toate acestea, cu relații slab susținute (Fișier suplimentar 2: Figura S12). Am analizat în continuare dacă neconcordanța dintre reconstrucția arborelui ML și analizele FcLM a dispărut luând în considerare analizele ML și FcLM partiționate, utilizând modele diferite pe partiții diferite. Analizele partiționate ar putea reduce potențialele erori de specificare a modelului și ar putea produce topologii congruente. Cu toate acestea, neconcordanța dintre analizele ML și FcLM nu a dispărut (tabelul 3, fișierele suplimentare 2 și 3). Acest lucru implică faptul că specificațiile eronate ale modelului datorate analizelor nepartizate nu sunt sursa neconcordanței (a se vedea, de asemenea, și discuția în acest sens). Aparent, datele și procedurile analitice ale studiului nostru nu au oferit o soluție neechivocă la întrebarea dacă Coleopterida este sau nu un grup monofiletic. Cu toate acestea, dovezile din morfologie sugerează în mod clar Coleopterida monofilitice (a se vedea și ) ca fiind cel mai plauzibil rezultat.

Pentru a testa monofilia Mecopterida, o cladă care cuprinde Amphiesmenoptera (Lepidoptera + Trichoptera) și Antliophora (Diptera + Siphonaptera + Mecoptera), am analizat două versiuni ale setului de date 6 pentru a lua în considerare două ipoteze posibile (set de date 6a, b; tabelele 2 și 3). Ambele analize au recuperat Mecopterida monofilitice cu un sprijin puternic (tabelul 3, figura 1). Mecopterida monofilitică, așa cum a fost propusă de Hinton sub denumirea Panorpoidea (sau complex panorpoid), nu a fost bine susținută în Kjer et al. și Wiegmann et al. , și a fost susținută doar în analizele bayesiene ale caracterelor morfologice în Beutel et al. . Niehuis et al. au găsit un sprijin provizoriu pentru această cladă pe baza datelor genomului întreg, dar eșantionarea incompletă a taxonului – genomurile Neuropterida, Trichoptera, Siphonaptera și Mecoptera nu au fost încă secvențiate – a diminuat caracterul decisiv al acestui set de date în ceea ce privește chestiunea Mecopteridei monofilitice.

Analizele noastre au coroborat în mod clar monofilia Amphiesmenoptera (Trichoptera + Lepidoptera) (Figura 1). Cu toate acestea, nu am testat această ipoteză cu un set de date special conceput, deoarece ea nu a fost niciodată contestată în mod serios .

În cadrul Antliophora, care a prezentat un suport bootstrap maxim în arborele ML, am găsit o relație de grup înfrățire între Mecoptera și Siphonaptera, de asemenea cu un suport bootstrap maxim și cu un suport maxim în FcLM (set de date 7, tabelul 2, figura 1). Acest rezultat coroborează opiniile prezentate de Beutel și Gorb , McKenna și Farrell și Wiegmann et al. , deși clada Mecoptera + Siphonaptera nu a fost bine susținută în acest din urmă studiu. O relație de grup înfrățit între Diptera și Siphonaptera, așa cum a fost recuperată în Beutel et al. (, a se vedea discuția din acesta), este foarte puțin probabilă pe baza analizelor noastre.

Cu acest studiu, nu contribuim la întrebarea dacă Mecoptera este un grup monofiletic, deoarece doar o singură specie, Nannochorista philpotti, a făcut parte din eșantionarea noastră de taxoni. Cu toate acestea, datele morfologice și analizele a nouă gene nucleare sugerează cu tărie că Mecoptera formează într-adevăr un grup monofiletic.

În rezumat, am dedus o coloană vertebrală filogenetică solidă a Holometabola, cu trei clade mega-diverse susținute la maximum Hymenoptera, Neuropteroidea și Mecopterida, cu aproximativ 135.000, 370.000 și, respectiv, 300.000 de specii descrise. Pentru unitatea bine definită care cuprinde Neuropteroidea și Mecopterida, propunem denumirea de Aparaglossata (figura 1). Denumirea se referă la pierderea paraglossei, una dintre cele mai evidente apomorfii ale grupului (a se vedea mai jos și tabelul 4).

Compilarea noastră de seturi de date de secvențe moleculare și concepția noastră de analiză filogenetică prezintă unele diferențe majore în comparație cu studiile anterioare privind filogenia Holometabola. În mod specific, i) am utilizat o cantitate masivă de date generate cu Illumina Next Generation Sequencing (tabelul 1). ii) am asigurat caracterul decisiv al seturilor noastre de date prin proiectarea specifică a seturilor de date pentru fiecare dintre cele șapte întrebări de cercetare (tabelul 2) (a se vedea ). Decisivitatea înseamnă că toate genele incluse într-un set de date sunt acoperite de cel puțin un reprezentant al tuturor grupurilor taxonomice care sunt relevante pentru relația filogenetică specifică studiată. În consecință, fiecare set de date are o acoperire de 100 % în ceea ce privește prezența genelor, în ceea ce privește grupurile taxonomice relevante. Prin asigurarea caracterului decisiv, atenuăm efectele potențial înșelătoare ale datelor lipsă. Datele lipsă pot duce la inferența unor topologii foarte bine susținute, dar greșite (a se vedea ). iii) Am efectuat FcLM pentru fiecare dintre cele șapte seturi de date (tabelul 3). Am reimplementat FcLM în RAxML pentru a face față acestor matrici de date de mari dimensiuni și am completat metoda cu scripturi nou scrise care cartografiază rezultatele respective în grafice simplex 2D. Doar suportul bootstrap în arborii filogenetici are o concludență limitată în analizele unor seturi de date foarte mari . FcLM este o metodă de identificare a sprijinului posibil pentru topologii alternative într-un set de date, adică o metodă de afișare a semnalului incongruent care ar putea să nu fie observabil în arborii filogenetici. Acest studiu este primul care aplică FcLM la supermatrici filogenetice mari. În cele din urmă, iv) am verificat toate seturile de date pentru taxoni necinstiți. Taxonii necinstiți sunt taxoni care ocupă mai multe poziții filogenetice într-un set de arbori bootstrap. Aceștia reduc rezoluția și/sau suportul, de exemplu, atunci când se construiesc arbori consensuali bootstrap. Îndepărtarea celor care nu sunt de încredere poate produce un arbore consensual bootstrap mai informativ (a se vedea fișierul suplimentar 4, capitolul 4). Toate seturile noastre de date au fost lipsite de „rogue”

Cu o compilație de seturi de date precum cea prezentată aici (adică prin extragerea numărului maxim de gene care pot contribui la rezolvarea relației filogenetice în cauză) ne-am asigurat, de asemenea, că topologiile deduse nu se bazează pe o selecție arbitrară de gene în ceea ce privește semnalul filogenetic inerent al acestora. Dell’Ampio et al. au arătat că selecția genelor – dacă nu este determinată de considerente referitoare la caracterul decisiv al unui set de date – poate genera arbori diferiți din punct de vedere topologic care, cu toate acestea, pot prezenta un suport ridicat. Mai mult, Simon et al. au arătat că genele implicate în diferite căi biologice pot susține topologii diferite pentru o relație filogenetică specifică. Prin urmare, se poate concluziona că arborii filogenetici deduse din studierea doar a unui set de câteva gene sunt ușor de influențat și, prin urmare, este posibil să nu reflecte arborele corect al speciilor. În timp ce cea mai bună abordare în prezent pentru a aborda această problemă este de a include cantitatea maximă fezabilă de date potențial informative, va trebui să deslușim în continuare factorii care contribuie la neconcordanțele topologice în seturile de date (a se vedea și ).

Studiile filogenetice bazate exclusiv pe morfologie (de exemplu, ) au dat, de asemenea, grupări problematice în unele cazuri. Autorii au abordat și discutat artefactele aparente care au fost cauzate în principal de reducerile paralele ale complexelor de caractere (de exemplu, aparatul de zbor). Cu toate acestea, problemele s-au dovedit a fi greu de rezolvat având în vedere datele și procedurile analitice disponibile . Cu ajutorul seturilor noastre de date moleculare am reușit să furnizăm soluții fiabile pentru majoritatea relațiilor filogenetice interordinale din cadrul Holometabola (Figura 1, și mai sus). Pentru a urmări schimbările evolutive la nivel fenotipic, am folosit cel mai amplu set de date morfologice disponibile în prezent, incluzând 356 de caractere ale reprezentanților tuturor ordinelor holometabolae și ale unor taxoni din outgroupuri atent selecționate . Caracterele au fost cartografiate pe filogenia bazată pe transcriptome într-o abordare formală (a se vedea secțiunea Metode pentru detalii). Acest lucru ne-a permis să urmărim și să reinterpretăm schimbările evolutive ale numeroaselor caractere și să realizăm reconstrucții ale planului de bază bazate pe parsimonie pentru toate cladele arborelui (a se vedea „Evoluția în cadrul Holometabola” de mai jos).

Evoluția în cadrul Holometabola

Larvele și dezvoltarea

Rezultatele noastre filogenetice sugerează că larva ancestrală a Holometabola era terestră, ortognată, echipată cu ochi compuși moderat simplificați, dar distinct dezvoltați, și cu picioare toracice bine dezvoltate. Picioarele abdominale și cercii erau absente (figura 2). Sistemul muscular era, în general, bine dezvoltat. Simplificările distincte ale antenelor și ale lobilor enditei labiale și ale mușchilor asociați sunt autapomorfii larvare ale Holometabola. Capul ortognat din planul de bază sugerează că cele mai timpurii larve de Holometabola se hrăneau în exterior cu material vegetal sau ciuperci și nu săpau în substrat sau pătrundeau în crăpături înguste (de exemplu, sub scoarță).

Larva ancestrală a aparaglossatanului era probabil prognatică și dotată cu stemmata. Rămâne neclar dacă aceste larve erau de tipul campodeidelor agile, precum larvele multor coleoptere (de exemplu, Adephaga, Myxophaga , Staphylinoidea), Strepsiptera (primul instar), Neuropterida și unele grupuri de Trichoptera (de exemplu, Rhyacophilidae). Este posibil ca acest tip larvar să fie o condiție apomorfă care caracterizează Neuropteroidea, cu o evoluție paralelă la Trichoptera. Prognatismul este adesea legat de obiceiurile de hrănire carnivoră (Neuropterida, Adephaga și unele subgrupuri polifage), dar poate fi, de asemenea, legat de pătrunderea în crăpături înguste sau de săparea în substraturi, așa cum este cazul larvelor de Archostemata (Coleoptera) asociate cu lemnul, dar și în descendența timpurie a lepidopterelor (de exemplu, ). Astfel, nu este clar dacă larvele ancestrale de aparaglossatan erau sau nu predacee. Larvele de Mecopterida prezintă unele simplificări (tentorium și segmente antenale), iar o tendință distinctă spre reduceri caracterizează larvele de antliofori, în special cele de Siphonaptera și Diptera. Ambele și-au pierdut în întregime picioarele toracice (net scurtate la Mecoptera) și se caracterizează prin simplificări ale structurilor cefalice, în special ale sistemului muscular . Acest lucru reflectă istoricul larg răspândit al vieții larvare la Antliophora, larvele trăind în stratul superior al solului, în litiera de frunze, în substraturi umede sau în diferite corpuri de apă, hrănindu-se în principal cu substraturi moi sau particule mici. Întrebarea importantă dacă larvele ancestrale de antlioforă erau terestre (Lepidoptera, Mecoptera, Siphonaptera, Mecoptera excl. Nannochoristidae, Diptera partim) sau acvatice (Trichoptera, Nannochoristidae, Diptera partim) rămâne ambiguă.

Rezultatele noastre filogenetice indică în mod clar că o dezvoltare holometabola tipică, cu larve complet lipsite de muguri alari externi („insecte endopterigote”) și, de asemenea, lipsite de cerci, aparține planului de bază al Holometabola (vezi și ). Condițiile care caracterizează larvele primare strepsipteriene (segmentul abdominal XI și cerci prezenți) și larvele secundare (muguri alari externi recognoscibili ca convexități externe) sunt aparent rezultatul unor răsturnări, cum ar fi apariția timpurie a viitorilor ochi compuși (a se vedea ). Pupele cu mandibule imobilizate în mare măsură (pupa adectica) au evoluat aproape sigur de mai multe ori în mod independent. Pare probabil ca o pupă mobilă cu mandibule mobile, așa cum este caracteristică pentru Raphidioptera, să fie ancestrală pentru Holometabola, chiar dacă acest lucru nu este confirmat de o analiză formală a caracterelor.

Adulți și depunerea ouălor

Adulul ancestral al holometabola pare să fi fost doar puțin diferit de planul de bază al neopterelor (Neoptera: toate insectele înaripate, cu excepția Odonata și Ephemeroptera). Structurile cefalice, întregul sistem muscular, aparatul de zbor și structurile abdominale par în mare parte nemodificate . Cele mai profunde apomorfii la insectele holometabolane adulte sunt legate de invaginarea sternitelor pterotoracice (de exemplu, meso- și metacoxae foarte apropiate) . Datele noastre nu conduc la o evaluare fiabilă a obiceiurilor alimentare ancestrale ale adulților holometabolani, dar este evident că hrănirea în stadiul de adult a jucat un rol minor în comparație cu hrănirea în stadiile larvare. Excepțiile de la această regulă sunt, de exemplu, coleopterele predacee (de ex, Dytiscidae și Carabidae) cu o dezvoltare postembrionară foarte rapidă și adulți longevivi.

Transformări distincte ale caracterelor morfologice caracterizează apariția Aparaglossata: reducerea lobilor enditei labiale (paraglossae), inclusiv a mușchilor, modificarea distinctă a ovipozitorului ortopteroid și, posibil, numărul redus de tubuli Malpighian (de asemenea, la Acercaria (gândaci adevărați, psocoptere, păduchi și rude)) . Rezultatele noastre nu permit o reconstrucție lipsită de ambiguitate a stării ancestrale a aparatului de zbor pentru Holometabola și Aparaglossata. Pare plauzibil ca segmentele pterotoracice de dimensiuni aproximativ egale (ca la Neuropterida, primele linii de lepidoptere și Mecoptera) să fie plesiomorfe pentru Aparaglossata, dar reconstrucția stării ancestrale a acestui caracter în analiza formală a rămas ambiguă. După cum s-a subliniat mai sus, întrebarea dacă Coleopterida este sau nu un grup monofilic nu este complet rezolvată. Cu toate acestea, pare plauzibil să presupunem că posteromotorismul a evoluat o singură dată într-un strămoș comun al Strepsiptera și Coleoptera, cu o suită de trăsături înrudite, cum ar fi reducerea dimensiunii mezotoraxului, o reducere distinctă a sistemului muscular mezotoracic , precum și o dimensiune crescută a metatoracelui. Un anteromotorism distinct, așa cum este prezent la Hymenoptera, Trichoptera, Lepidoptera „superioară” și Diptera, este posibil să fie ancestral la Holometabola, dar este posibil ca această condiție să fi evoluat (secundar?, a se vedea mai sus) de mai multe ori în mod independent (de ex, segmente pterotoracice de dimensiuni aproape egale la Lepidoptera non-glossatan).

Mecanismele de cuplare a aripilor au evoluat aparent în mod independent la Hymenoptera (hamuli ca o autapomorfie a ordinului, a se vedea fișierul suplimentar 4, capitolul 5), Trichoptera, Lepidoptera și unele familii de Neuroptera (mecanisme diferite apar în aceste ordine).

Modalitatea primară de depunere a ouălor la Holometabola a fost foarte probabil endofită, așa cum se poate presupune pentru planul de bază al Hymenoptera („Symphyta”). Se poate spune că acest mod de depunere a ouălor este menținut în planul de bază al Neuropteroidea. Raphidioptera are un ovipozitor modificat, alungit, pe care îl utilizează pentru a depune ouăle sub scoarță sau în litiera din sol. Acest lucru seamănă cu depunerea ouălor, așa cum s-a presupus în cazul Holometabola și Hymenoptera; cu toate acestea, ar putea fi, de asemenea, un caracter derivat. Reducerea completă sau aproape completă a elementelor ovipozitorului primar este o caracteristică a Mecopterida și este evident legată de depunerea superficială a ouălor sau de depunerea ouălor în substraturi moi. Rezultatele noastre confirmă în cea mai mare parte un scenariu evolutiv pentru postabdomenul femelei și depunerea ouălor, așa cum a fost descris în detaliu în Hünefeld et al. .

.